Théorie des corps de classes

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En mathématiques, la théorie du corps de classes est une branche majeure de la théorie algébrique des nombres qui a pour objet la classification des extensions abéliennes, c'est-à-dire galoisiennes et de groupe de Galois commutatif, d'un corps donné.

La plupart des résultats centraux ont été démontrés dans la période s'étendant entre 1900 et 1950. La théorie a été nommée ainsi en rapport avec les idées, conjectures et résultats de ses débuts, tel que le corps de Hilbert, et s'organisa vers 1930.

De nos jours, le terme est généralement utilisé comme synonyme de l'étude de toutes les extensions abéliennes des corps de nombres algébriques, et plus généralement des corps globaux ; mais aussi des corps de nombres p-adiques, et plus généralement des corps locaux.

Une extension abélienne devient une extension galoisienne avec un groupe de Galois qui est un groupe abélien. En termes généraux, le but est de prédire ou de construire les extensions de ce type pour un corps général de nombres K, en termes de propriétés arithmétiques de K lui-même.

Sommaire

1 Idéaux premiers
2 Formulation en langage contemporain
3 Théorie du corps de classes local
4 Corps de classes global, version idélique
5 Historique

[modifier] Idéaux premiers

Plus qu'une simple description abstraite de G, il est essentiel pour les buts de la théorie des nombres de comprendre comment les idéaux premiers se décomposent dans les extensions abéliennes. La description est formulée en termes d'éléments de Frobenius, et généralise d'une manière de grande envergure la loi de réciprocité quadratique qui donne une information complète sur la décomposition en nombres premiers dans les corps quadratiques. Le projet de la théorie des corps de classes incluait les 'lois de réciprocités plus élevées' (réciprocité cubique et ainsi de suite), mais n'est pas limité à celles-ci, ligne classique de généralisation.

[modifier] Formulation en langage contemporain

En langage moderne, il existe une extension abélienne maximale A de K, qui sera de degré infini sur K; et associée à A, un groupe de Galois G qui sera un groupe profini, donc un groupe topologique compact, et aussi abélien. Nous nous intéressons à la description de G en termes de K.

Le résultat fondamental de la théorie des corps de classes établit que le groupe G est naturellement isomorphe à la complétion profinie du groupe de classes d'idèles de K. Par exemple, lorsque K est le corps des nombres rationnels, le groupe de Galois G est (naturellement isomorphe à) un produit infini du groupe des unités des entiers p-adique pris sur tous les nombres premiers p, et l'extension abélienne maximale correspondante des rationnels est le corps engendré par toutes les racines de l'unité. Ceci était connu comme le théorème de Kronecker-Weber, originellement énoncé par Kronecker.

Pour une description du cas général :

Voir l’article formation de classes.

En pratique, le programme prend la forme suivante. Étant donné un corps $K\,$ et fixée une clôture séparable $K^{sep}\,$ de $K\,$ , on cherche à associer à toute extension finie abélienne $L\,$ de $K\,$ incluse dans $K^{sep}\,$ un groupe topologique $C(L)\,$ et un homomorphisme continu de groupes $N_{L/K}\,$ de $C(L)\,$ dans $C(K)\,$ de manière que :

L'application qui à $L\,$ associe $N_{L/K}(C(L))\,$ est une bijection entre extensions finies abéliennes de $K\,$ incluse dans $K^{sep}\,$ et sous-groupes ouverts d'indice fini de $C(K)\,$ .
Pour chaque extension finie abélienne $L/K\,$ incluse dans $K^{sep}\,$ , on a un isomorphisme de groupes $r_{L/K}\,$ de $Gal(L/K)\,$ dans $C(K)/N_{L/K}(C(L))\,$ , appelé application de réciprocité.

La théorie du corps de classes a été décrite pour une famille variée de corps, parmi lesquels les corps de nombres algébriques et les corps de nombres p-adiques.

L'exemple le plus simple est celui des corps finis. Si $K\,$ est un corps fini de cardinal $q$ , on pose $C(L)=\mathbb{Z}\,$ et $N_{L/K}\,$ est égal à la multiplication par le degré [ $L/K\,$ ] de $L/K\,$ , pour toute extension finie $L\,$ de $K\,$ incluse dans $K^{sep}\,$ . On a un homomorphisme de groupes de $\mathbb{Z}\,$ dans $Gal(K^{sep}/K)\,$ injectif et d'image dense, qui envoie 1 sur le Frobenius de $K\,$ , c'est-à-dire sur l'automorphisme $\varphi_K : x \mapsto x^q\,$ . Si $\sigma\,$ est un élément de $Gal(L/K)\,$ , il existe un unique $n$ dans $\mathbb{Z}/[L:K]\mathbb{Z}\,$ tel que $\varphi_K^n\,$ prolonge $\sigma\,$ . L'application de réciprocité est définie par $\sigma \mapsto n\,$ .

[modifier] Théorie du corps de classes local

Il s'agit de la partie de la théorie concernant les corps locaux. Dans ce qui suit, on se restreint aux corps locaux dont le corps résiduel est fini.

Si $K$ est un corps local de corps résiduel fini, il existe un homomorphisme de groupes topologiques, injectif et d'image dense, du groupe multiplicatif de $K$ sur le groupe de Galois de l'extension abélienne maximale de $K$ . Cet homomorphisme, appelé le symbole d'Artin, est défini de la façon suivante : à chaque élément premier de $K$ est associé un automorphisme qui, restreint à toute sous-extension abélienne non ramifiée, est le Frobenius de cette extension, et le symbole d'Artin se factorise à travers les groupes de normes associées aux sous-extensions finies. Il y a alors une correspondance de Galois des sous-extensions de l'extension abélienne maximale de $K$ avec les sous-groupes (fermés pour la topologie de Krull) du groupe de Galois de cette extension, et donc, via le symbole d'Artin, avec les sous-groupes du groupe multiplicatif de $K$ .

Le cas particulier le plus frappant est celui du groupe des unités : il est associé à l'extension non ramifiée maximale de $K$ .

[modifier] Corps de classes global, version idélique

Pour $K$ un corps de nombres, la correspondance du corps de classes s'énonce comme la collection des correspondances locales en toutes les places non archimédiennes de $K$ , à l'aide des idèles.

[modifier] Historique

La généralisation prit place dans un projet historique à long terme impliquant les formes quadratiques, les lois de réciprocité, les travaux de Kummer et de Kronecker/Hensel sur les idéaux et ses achèvements, la théorie de la cyclotomie, les extensions de Kummer, les conjectures de Hilbert et les démonstrations par de nombreux mathématiciens (Takagi, Hasse, Artin, Furtwängler et d'autres). Le théorème d'existence de Takagi crucial était connu en 1920 et tous les autres résultats principaux vers 1930. La propriété de principalisation est une des dernières conjectures classiques à avoir été démontrée.

Dans les années 1930 et ultérieurement, l'usage des extensions infinies et de la théorie de Krull sur leurs groupes de Galois a été considérée comme de plus en plus utile. Elle se mélange avec la dualité de Pontryagin pour donner une formulation plus claire mais plus abstraite du résultat central, la loi de réciprocité d'Artin. Elle est aussi basée sur la théorie d'Iwasawa.

Après que les résultats furent reformulés en termes de cohomologie galoisienne, avec la notion de formation de classes, le champ devint relativement statique. Le programme de Langlands lui donna une implusion nouvelle, dans sa forme de « théorie non abélienne des corps de classes », bien que cette description devrait être appelée à devenir plus grande que maintenant si elle est confinée à la question de savoir comment les idéaux premiers se séparent dans les extensions galoisiennes générales.